J.P. Euzéby : Abrégé de Bactériologie Générale et Médicale
à l'usage des étudiants de l'Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse

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Les enveloppes bactériennes

Membrane cytoplasmique

La membrane cytoplasmique est conforme au modèle unitaire. Elle contient principalement des phospholipides (30 à 40 p. cent) et des protéines (60 à 70 p. cent). Les stérols sont absents sauf chez les mycoplasmes et il n'y a jamais de lécithine.

Son rôle essentiel est celui d'une barrière hydrophobe et osmotique. L’eau et les petites molécules hydrophiles diffusent librement, tandis que les plus grosses molécules hydrophiles la franchissent par l’intermédiaire de transporteurs protéiques (ou perméases).

Outre son rôle de barrière, la membrane exerce de nombreuses fonctions grâce à de nombreuses enzymes qui lui sont associées : enzymes des chaînes respiratoires, perméases, ATPases, phosphotransférases, enzymes impliquées dans la synthèse de la paroi et des pili, ...

Les mésosomes ou structures membranaires intracytoplasmiques semblent être des artefacts résultant des techniques de fixation utilisées.

Paroi

La paroi bactérienne existe chez toutes les espèces du domaine des "Bacteria" à l'exception des Mycoplasmatales. En revanche, chez les "Archaea", la présence d'une paroi est inconstante et lorsqu'elle existe, elle ne présente pas de peptidoglycane. Seule la paroi des "Bacteria" sera étudiée ci-dessous.

La paroi est une structure rigide et résistante qui entoure le cytoplasme et sa membrane. Elle protège la bactérie et lui donne sa forme. La paroi des Bacteria présente une structure variable selon les bactéries (schéma 1, schéma 2) :
. Chez les bactéries à Gram positif, à l'exception des mycobactéries, sa structure apparaît homogène, son épaisseur varie de 10 à 80 nm, elle est riche en osamines mais pauvre en lipides (1 à 2 p. cent).
. Chez les bactéries à Gram négatif, sa structure est plus complexe, son épaisseur est de l'ordre de 10 nm, elle est riche en lipides (10 à 20 p. cent) et contient moins d'osamines.
. La différence de structure entre la paroi des bactéries à Gram positif et la paroi des bactéries à Gram négatif est à l'origine de la coloration de Gram (voir "Principe de la coloration de Gram").

Le tableau ci-dessous résume les différences entre les parois des bactéries à Gram positif et à Gram négatif.

Malgré ces variations structurales, la paroi des "Bacteria" présente une molécule originale, le peptidoglycane. Le peptidoglycane existe chez toutes les "Bacteria" pourvues d'une paroi à l'exception des représentants de l'ordre des Chlamydiales et de la classe des Planctomycea.

Peptidoglycane

Le peptidoglycane forme autour de la cellule un filet à mailles plus ou moins serrées qui entoure la bactérie à la manière d'un sac. Ce réseau est composé de chaînes de glycanes reliées entre elles par des chaînons peptidiques (schéma 3).

La partie glycane est constituée de chaînes linéaires où alternent la N-acétylglucosamine et l'acide N-acétylmuramique qui est l'ester lactique de la N-acétyl glucosamine. Ces résidus, sous la forme pyranoside, sont liés par des liaisons bêta-1,4. La longueur des chaînes est variable et elles sont constituées de 20 à 100 résidus de N-acétylglucosamine. Chez les staphylocoques, le carbone en position 6 de l'acide muramique est acétylé ce qui confère à ces bactéries une résistance au lysozyme.

Les chaînons peptidiques sont constitués d'unités tétrapeptidiques et de ponts interpeptidiques :
. Les unités tétrapeptidiques s'attachent à l'acide N-acétylmuramique. Le premier acide aminé lié à l'acide muramique est la L-alanine ou plus rarement de la glycine ou de la L-sérine. L'acide D-glutamique constitue le deuxième acide aminé et il se fixe à la L-alanine par sa chaîne latérale. Le troisième acide aminé a une structure variable selon les espèces : L-lysine ou acide m-diaminopimélique ou L-ornithine ou acide LL-diaminopimélique ou acide L-diaminobutyrique ou L-homosérine ou acide L-glutamique ou L-alanine. Chez les bactéries à Gram négatif, l'acide aminé 3 est l'acide m-diaminopimélique à l'exception des spirochètes où il est remplacé par la L-ornithine. Chez les bactéries à Gram positif, la diversité est plus importante. Le dernier acide aminé est généralement la D-alanine.
. Les ponts interpeptidiques unissent entre elles les unités tétrapeptidiques. Ils s'établissent généralement entre le dernier acide aminé d'un tétrapeptide et le troisième acide aminé d'un tétrapeptide de la chaîne voisine (peptidoglycane de type A) mais ils peuvent parfois s'étendre entre le dernier acide aminé d'un tétrapeptide et le deuxième acide aminé d'un autre tétrapeptide (peptidoglycane de type B). Selon les espèces, il existe des variations importantes d'une part dans la nature des ponts interpeptidiques qui peuvent être constitués d'une simple liaison directe ou constitués d'un polypeptide de 1 à 6 acides aminés et d'autre part dans la fréquence avec laquelle les unités tétrapeptidiques sont reliées entre elles.

Le peptidoglycane présente donc des constituants originaux : l'hétéropolymère formant la partie glycane et des acides aminés non retrouvés dans les protéines (forme D, acide diaminopimélique, ...).

La structure du peptidoglycane est importante pour la taxonomie des bactéries à Gram positif et notamment des actinomycètes. Schleifer et Kandler ont proposé un système de classification des peptidoglycanes reposant sur la position des ponts interpeptidiques, sur la nature des ponts interpeptidiques et sur la nature du troisième acide aminé des unités tétrapeptidiques (voir le fichier Classification des peptidoglycanes selon Schleifer et Kandler in Dictionnaire de Bactériologie Vétérinaire).

Le peptidoglycane constitue une structure très rigide, c'est un véritable exo-squelette qui est responsable de la forme des bactéries et qui leur permet de résister à la forte pression osmotique intracytoplasmique. Une bactérie dont on a détruit le peptidoglycane, se gonfle puis éclate lorsqu'elle est placée dans de l'eau distillée. En revanche, une bactérie privée de peptidoglycane et placée dans un milieu dont la pression osmotique est supérieure ou égale à la pression du milieu intracellulaire ne se lyse pas mais elle prend une forme sphérique. Les bactéries à Gram positif dépourvues de peptidoglycane forment des sphères limitées par la seule membrane cytoplasmique et elles deviennent des protoplastes. Les bactéries à Gram négatif donnent des formes sphériques limitées par la membrane cytoplasmique et la membrane externe et elles deviennent des sphéroplastes. Les antibiotiques inhibant la biosynthèse du peptidoglycane (comme les bêta-lactamines) conduisent à la formation de protoplastes et de sphéroplastes. On connaît également des mutants dépourvus de paroi que l'on appelle des formes L. Les protoplastes, les sphéroplastes et les formes L peuvent se diviser et sont capables de reverser vers des formes bactériennes normales. Cette dernière caractéristique les oppose aux "Tenericutes" qui sont totalement dépourvus de paroi et incapables de donner naissance à des bactéries pourvues d'une paroi.
Le lysozyme (présent dans de nombreuses sécrétions) détruit les liaisons entre la N-acétylglucosamine et l'acide N-acétylmuramique et il constitue un moyen de défense non spécifique plus efficace chez les bactéries à Gram positif (sauf chez les staphylocoques) que chez les bactéries à Gram négatif. Chez Nocardia asteroides, les souches très virulentes possèdent une couche de peptidoglycane plus épaisse que les souches peu virulentes (épaisseur du peptidoglycane trois fois plus faible que chez les souches virulentes) et on estime que cette épaisseur importante conférerait aux souches virulentes une protection vis-à-vis du lysozyme.

Paroi des bactéries à Gram positif (à l'exception des mycobactéries)

La paroi des bactéries à Gram positif est principalement constituée de peptidoglycane mais il s'y ajoute d'autres constituants (schéma 1).

Des enzymes impliquées dans la synthèse du peptidoglycane (penicillin binding protein) sont situées entre la membrane cytoplasmique et la couche de peptidoglycane.

Les acides teichoiques sont quantitativement le deuxième composant. Ce sont des polymères constitués d'unités glycéro-phosphate ou d'unité ribitol-phosphate ou d'unités plus complexes dans lesquelles le glycérol ou le ribitol sont associés à des sucres (glucose, galactose, ...). De plus, ils contiennent souvent de la D-alanine liée au glycérol ou au ribitol. Les acides téchoïques sont associés au réseau de peptidoglycane, ils atteignent la surface externe et constituent des antigènes importants.

Les acides lipotéchoïques, liés par des liaisons covalentes aux lipides de la membrane, traversent le peptidoglycane de part en part pour émerger à la surface.

De nombreux autres constituants sont également présents chez certaines espèces : protéines, polysaccharides... et ils peuvent jouer un rôle important dans les propriétés antigéniques ou dans le pouvoir pathogène.

Paroi des mycobactéries

Les mycobactéries sont considérées comme des bactéries à Gram positif mais leur paroi a une structure très spéciale. Au microscope électronique, on distingue trois couches, une couche basale dense aux électrons de 3 à 13 nm d'épaisseur, une couche transparente aux électrons (ETL : électron transparent layer) de 8 nm d'épaisseur et une couche externe (OL : outer layer).

La couche basale est composée de peptidoglycane dans lequel l'acide N-glycosylmuramique remplace l'acide N-acétylmuramique. Au peptidoglycane est associé un polymère formé de l'alternance d'arabinose et de galactose, l'arabino-galactane.

La couche transparente aux électrons est composée d'acides mycoliques qui estérifient l'arabino-galactane. Les acides mycoliques sont de grosses molécules d'acides gras ramifiés dont la chaîne principale est en C50-C60 et les chaînes ramifiées en C24-C26.

La couche externe contient des sulfolipides, des phospholipides, du lipo-arabinomannane (composé d'un squelette d'unités D-mannose sur lequel se fixe de courtes chaînes latérales de mannose et d'arabinose et sur lesquelles se fixent des acides palmitiques et tuberculostéariques) et du mycolate de tréhalose (chaînes de tréhalose sur lesquelles sont fixées des acides mycoliques). En fait la structure de la couche externe est variable selon les espèces et, notamment, seules les souches virulentes possèdent du mycolate de tréhalose appelé également cord factor.

La structure particulière de la paroi des mycobactéries, très riche en lipide, explique, en grande partie, la résistance des mycobactéries à de nombreux antibiotiques (antibiotiques hydrophobes) qui ne peuvent atteindre leurs sites d'action.

Le rôle des composants pariétaux dans la virulence des mycobactéries a fait l'objet de nombreux travaux mais leur importance individuelle est encore mal comprise. Le cord factor inhibe le chimiotactisme des cellules phagocytaires et il est toxique pour les leucocytes. Les sulfolipides inhibent la fusion des phagosomes avec les lysosomes et évitent aux bactéries phagocytées l'action des enzymes hydrolytiques.

Les acides mycoliques constituent une barrière hydrophobe autour de la cellule s'opposant à l'action d'agents chimiques. Cette propriété est mise à profit dans la coloration de Ziehl-Neelsen et dans la décontamination des prélèvements.
. La coloration de Ziehl-Neelsen permet de caractériser l'acido-alcoolo-résistance des mycobacéries. Après avoir été coloré par la fuchsine, les mycobactéries ne peuvent pas être décolorées par de l'acide et de l'alcool et elles apparaissent de couleur rouge malgré l'utilisation, dans le dernier temps de la coloration, de bleu de méthylène. La coloration à l'auramine repose sur le même principe mais les lames sont examinées au microscope à fluorescence et les mycobactéries apparaissent vertes sur un fond rouge. L'acido-alcoolo-résistance est caractéristique du genre Mycobacterium même si, une acido-alcoolo-résistance relative est notée pour les espèces des genres Nocardia, Gordonia, Tsukamurella et Rhodococcus. Tous ces genres synthétisent d'ailleurs des acides mycoliques dont les chaînes sont généralement plus courtes que celles des mycobactéries.
. La décontamination des prélèvements est une nécessité lorsqu'ils contiennent des bactéries contaminantes. En effet, les mycobactéries pathogènes cultivent lentement sur des milieux spéciaux (à titre d'exemple, les colonies de Mycobacterium tuberculosis apparaissent en 10 à 15 jours, celles de Mycobacterium bovis en 20 à 40 jours et celles de Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis se développent entre 8 et 12 semaines, parfois plus) et leur culture peut être masquée par le développement plus rapide des bactéries contaminantes. Le choix du traitement des produits pathologiques est fonction de la nature du prélèvement. Les procédés proposés permettent d'une part la fluidification des produits visqueux et d'autre part l'élimination des germes associés sans porter atteinte à la viabilité des mycobactéries. Les principaux agents de décontamination sont l'acide sulfurique à 4 p. cent, l'acide oxalique à 5 p. cent, la soude à 4 p. cent, le lauryl sulfate de sodium, le chlorure de benzalkonium à 0,3 p. cent et le chlorure de cetylpyridinium. Le temps de contact entre le prélèvement et l'agent de décontamination est critique car la résistance des mycobactéries n'est pas absolue et l'action de ces agents doit toujours être suivie d'une phase de neutralisation.

Paroi des bactéries à Gram négatif

Au microscope électronique la paroi des bactéries à Gram négatif apparaît hétérogène et on distingue une couche interne et une couche externe ou membrane externe, séparées par un espace appelé espace périplasmique (schéma 2).

La couche interne contient du peptidoglycane qui recouvre la membrane cytoplasmique et dont la structure est comparable à celui des bactéries à Gram positif. Toutefois, il ne contient jamais d'acides téchoïques et il ne représente que 10 p. cent du poids de la paroi. Comme pour les bactéries à Gram positif, il est le squelette de l'enveloppe et il joue un rôle essentiel pour l'intégrité cellulaire.
Des enzymes impliquées dans la synthèse du peptidoglycane (penicillin binding protein) sont situées entre la membrane cytoplasmique et la couche de peptidoglycane.

L'espace périplasmique contient des lipoprotéines ou lipoprotéines de Braun qui relient la membrane externe au peptidoglycane et qui participent à la cohésion de la paroi. Elles sont constituées d'un polypeptide d'une soixantaine d'acides aminés portant à son extrémité N-terminale des constituants lipidiques. La partie lipidique est enchâssée dans la membrane externe par des liaisons hydrophobes et la partie polypeptidique est associée au peptidoglycane par des liaisons covalentes qui se forment avec les acides diaminopiméliques. Ces lipoprotéines sont quantitativement très importantes et certaines d'entre elles sont libres dans l'espace périplasmique.
L'espace périplasmique renferme des protéines qui fixent de nombreuses molécules (galactose, maltose, glutamine, ...) avant qu'elles ne puissent franchir la membrane cytoplasmique et il séquestre de nombreuses protéines qui ne peuvent être excrétées (phosphatases, ribonucléases, bêta-lactamases, ...) ou qui ne seront libérées que de manière partielle.

La couche externe est constituée d'une double couche phospholipidique dans laquelle flottent des lipopolysaccharides et des protéines.

Les lipopolysaccharides sont des molécules complexes jouant un rôle important dans les propriétés antigéniques (antigène O) et dans le pouvoir pathogène (endotoxine).

Les protéines de membrane externe (OMP pour Outer Membran Proteins) sont nombreuses, elles peuvent être impliquées dans la virulence ou dans la perméabilité (porines). Les porines sont organisées en trimères et elle délimitent des pores qui traversent la membrane externe de part en part. Elles permettent ainsi le passage de petites molécules hydrophiles (jusqu'à 600 Da).

Polysaccharides de surface

Les bactéries peuvent s'entourer d'enveloppes supplémentaires plus ou moins structurées ou diffuses. Historiquement, on a décrit, sous le nom de capsule, une couche muqueuse généralement polysaccharidique, au contour bien défini et caractérisant certaines espèces ou souches pathogènes. En réalité de très nombreuses bactéries sont capables de synthétiser des polysaccharides de surface qui peuvent, éventuellement, être libérés dans le milieu. Leur étude est cependant difficile pour deux raisons majeures :
. Ces polysaccharides sont très fortement hydratés (plus de 99 p. cent d'eau) ce qui rend leur étude difficile au microscope électronique notamment parce que leur structure s'altère lors de la déshydratation des échantillons.
. Ces polysaccharides sont élaborés de manière optimale lorsque les bactéries sont dans un milieu hostile car ils apportent une protection ou un moyen de coloniser l'environnement. Lors d'une culture in vitro, sur des milieux riches, la synthèse des ces poysaccharides qui représente une dépense énergétique n'est plus indispensable et les bactéries peuvent ne plus les élaborer.

En 1981, Costerton a proposé le terme de glycocalyx pour désigner tous les composants liés à la membrane externe des bactéries à Gram négatif ou au peptidoglycane des bactéries à Gram positif. Le terme de glycocalyx désigne donc à la fois les polysaccharides de surface et les protéines ou glycoprotéines formant la couche S. D'autres auteurs préfèrent utiliser le terme de substances polymérisées extracellulaires (EPS : Extracellular Polymeric Substances).

Parmi les polysaccharides de surface, on peut distinguer de manière un peu arbitraire, la capsule et les couches muqueuses ou slime. La capsule correspond à une structure bien organisée, facilement mise en évidence par des techniques simples alors que le slime correspond à des constituants polysaccharidiques plus ou moins libérés dans le milieu et ne constituant plus une véritable entité morphologique.

Capsule

La capsule bactérienne est généralement constituée de polysaccharides localisés autour des acides téchoïques chez les bactéries à Gram positif ou autour des lipopolysaccharides chez les bactéries à Gram négatif. Chez Streptococcus pneumoniae, des protéines sont associées aux polysccharides.
Pour une même espèce, la nature des sucres et leur mode de liaison peuvent être différents ce qui confère aux bactéries des spécificités antigéniques différentes. Les antigènes capsulaires sont souvent désignés sous le nom d'antigène K chez les bactéries à Gram négatif.

Chez certaines espèces de Bacillus (notamment Bacillus anthracis), la capsule est constituée de polypeptides formés d'un seul acide aminé (acide D-glutamique pour Bacillus anthracis).

La capsule ne joue pas un rôle vital pour la bactérie et en l'absence de sa synthèse, la bactérie est capable de se multiplier. En revanche, la capsule joue un rôle important dans le pouvoir pathogène car elle s'oppose à la phagocytose et à l'activation de la voie alterne du système complémentaire.

Les principales bactéries capsulées ou pouvant être capsulées et présentant un intérêt vétérinaire sont : Streptococcus agalactiae, Streptococcus equi subsp. equi, Streptococcus suis, Streptococcus pneumoniae, Streptococcus uberis, Staphylococcus aureus (12 types capsulaires), Bacillus anthracis, Clostridium perfringens, Rhodococcus equi, Aeromonas salmonicida, Escherichia coli (au moins 80 antigènes K), Klebsiella sp., Actinobacillus pleuropneumoniae, Actinobacillus suis, Actinobacillus equuli, Haemophilus parasuis, Avibacterium (Haemophilus) paragallinarum, Pasteurella multocida (5 groupes capsulaires : A, B, D, E et F), Mannheimia haemolytica, Burkholderia mallei, Bacteroides fragilis, Porphyromonas sp., ...

Slime

Les polysaccharides de surface peuvent être libérés sous forme de slime dans le milieu où se produit la multiplication bactérienne. La production de slime est fréquente avec les bactéries aquatiques et particulièrement intense avec les bactéries du genre Zooglea et conduit à la formation de masses gluantes auxquelles adhèrent des matières en suspension. Les slimes élaborés par d'autres bactéries sont produits industriellement et servent d'agent gélifiant dans les industries alimentaires (Leuconostoc mesenteroides, Azotobacter vinelandii...).

Couche de surface cristalline ou couche S (S layer)

Les couches S sont de connaissance relativement récente car elles ne peuvent être mises en évidence que par microscopie électronique. Elles sont constituées de protéines ou de glycoprotéines généralement d'un poids moléculaire élevé (40 à 200 kDa), disposées régulièrement sous forme d'un assemblage paracristallin organisé selon un système géométrique carré, hexagonal ou oblique.

Une couche S a été identifiée chez plusieurs centaines d'espèces appartenant aux domaines des "Archaea" et des "Bacteria" (Chlamydia, Treponema, Helicobacter, Campylobacter, Wolinella, Cardiobacter, Rickettsia, Bacteroides, Bordetella, Aeromonas, Bacillus, Clostridium, Corynebacterium, ...).

Chez les "Archaea" dépourvues de paroi, la couche S constitue la seule enveloppe appliquée sur la face externe de la membrane cytoplasmique (par exemple, Methanococcus sp.). Chez les "Archaea" possédant une pseudoparoi, la couche S est située à la périphérie (Methanothermus sp.).

Chez les "Bacteria" à Gram positif, la couche S est située à la périphérie du peptidoglycane et chez les bactéries à Gram négatif elle est étroitement associée à la membrane externe.

Outre son rôle en tant que squelette, la couche S pourrait être impliquée dans l'adhésion, dans la résistance au système complémentaire (inhibition de la fixation du C3b) et dans la résistance aux protéases des macrophages (Campylobacter fetus subsp. fetus, Aeromonas salmonicida). La couche S protège également les bactéries de certains bactériophages et elle protège les germes à Gram négatif de l'action de Bdellovibrio bacteriovorus.

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